CN113219200B

CN113219200B - 一种直流有刷电机测速方法

Info

Publication number: CN113219200B
Application number: CN202110564087.5A
Authority: CN
Inventors: 周长峰; 娄光浩
Original assignee: Shandong Jiaotong University
Current assignee: Shandong Jiaotong University
Priority date: 2021-05-24
Filing date: 2021-05-24
Publication date: 2022-09-23
Anticipated expiration: 2041-05-24
Also published as: CN113219200A

Abstract

本发明提供一种新型的直流有刷电机测速方法，由于PWM控制的直流有刷电机，在供电低电平的时候，电机会反馈一个电压信号，此电压信号与电机的输出转速成线性关系，用电路辅助输出此电压信号并反求其转速。目前市场上对于直流有刷电机的测速方法采用的是外加编码器测速，本测速方法的有益性在于不用外加测速传感器就能检测转速，具有简化控制系统结构组成、降低成本的优点。

Description

一种直流有刷电机测速方法

技术领域

本发明涉及一种直流有刷电机测速方法，属于电机转速测试技术领域。

背景技术

目前市场上对于直流有刷电机的测速方法采用的是外加编码器之类的传感器测速。本发明提供一种直流有刷电机测速方法，其优点在于不用外加测速传感器就能检测转速。

发明内容

本发明的目的是提出一种直流有刷电机测速方法，可以不用外加测速传感器就能检测转速。

本发明的使用前提是PWM控制电机旋转，而不是电压控制的电机旋转。本发明检测的是电机两端电源的电压，输出在PWM控制下的脉冲低电平时的电机反电动势，根据反电动势的值计算电机的转速。

PWM控制原理是在高频的条件下改变占空比，在高电平的时候给电机供电，低电平的时候断开电机供电。低电平时既当断开电机电源的时候，此时的电机电极的电压就是电机的反电动势电压，输出此时的反电动势，这个反电动势可以计算出电机的转速，如果是励磁的直流无刷电机那么还需要知道励磁线圈的电流。

如上所述的一种直流有刷电机测速方法，其特征在于，电机选定后，电机的结构参数就已知了，比如转子线圈匝数N、转子的有效(能产生磁场的部分)长度L、转子半径r、结构系数δ，如果是永磁式需要知道磁感应强度B，如果是励磁式需要知道励磁线圈N₁、励磁电流I等结构系数δ₁。测量值反电动势E_φ。其他值电机转速，转子角速度ω，转子线圈磁场与外加磁场的夹角θ。

公式n＝ω/2π； 1-1

E_φ＝N×B×L×ω×r×sinθ； 1-2

B＝N₁×I×δ； 1-3

有公式1-1、1-2、1-3可得

永磁式直流有刷电机的反电动势表达式为E_φ＝δ×N×B×L×2π×n×r×cosθ； 2-1

励磁式直流有刷电机的反电动势表达式为E_φ＝δ×N×N₁×I×δ₁×L×2π×n×r×cosθ； 2-2

由于电机换向器的存在所以θ的变化很小,cosθ≈1；

永磁式直流有刷电机的转速值为n＝E_φ/(δ×N×B×L×2π×n×r)； 3-1

励磁式直流有刷电机的转速值为n＝E_φ/(δ×N×N₁×I×δ₁×L×2π×n×r)； 3-2

如上所述的一种直流有刷电机测速方法，其特征在于，为了保证直流有刷电机的反电动势有稳定的参考电压，把三号二极管、四号二极管的正极分别连接在直流有刷电机的两端，负极接电源地；由于直流有刷电机可以在脉冲的控制下可以实现正反转，为了保证采集到正电压，因此需要外加一号二极管、二号二极管负极分别连接在直流有刷电机的两端，正极连接在一起并连接三号放大器的正向输入端；为了消除脉冲在高电平时产生驱动电压覆盖反电动势的影响，因此采用差分放大电路，差分放大电路的组成有一号放大器、二号放大器、三号放大器、一号电阻、二号电阻、三号电阻、四号电阻、五号电阻、六号电阻、调压电阻；三号三极管的集电极连接总电源，三号三极管的基极通过九号电阻连接PWM电机控制脉冲信号端，三号三极管的发射极通过七号电阻连接电源地，三号三极管的发射极还连接二号放大器的正向输入端。差分放大电路连接五号二极管的负极和一号三极管的发射极，五号二极管的正极和一号三极管的集电极都连接在电容的一极，电容的另一极接电源地。一号三极管的基极连接八号电阻的一端和二号三极管的集电极，八号电阻的另一端连接总电源，二号三极管的基极通过九号电阻连接PWM电机控制脉冲信号端。五号二极管的正极、一号三极管的集电极和电容一极的节点连接电机反电动势信号输出端。

差分放大电路的两个信号来源一个来于三号放大器的正向输入端，另一个来于二号放大器的正向输入端，这个信号是来源于PWM电机控制脉冲信号端通过九号电阻作用到三号三极管的基极，控制三号三极管对总电源电流经过七号电阻到电源地回路的开闭，把七号电阻的电压信号传送到二号放大器的信号输入端。PWM电机控制脉冲信号端通过九号电阻作用到二号三极管的基极，控制二号二极管的开闭，如果PWM电机控制脉冲信号端在某时刻是高电平那么一号三极管的基极就是低电平，反之相反。

当PWM电机控制脉冲信号端在某一时刻是低电平时，二号三极管和三号三极管都截止，一号三极管的基极为高电平所以一号三极管导通，一号三极管和五号二极管并联所以此时差分放大电路的信号输出端和电机反电动势信号输出端相连，并改变电容的实际电压，选择的电容在应能记录电压信号并且不能对电压信号产生干扰；此时的直流有刷电机两极没有供电，反电动势通过一号二极管或二号二极管传到三号放大器的正向输入端，此时七号电阻的电压是零，所以二号放大器的正向输入端为零伏；经过差分放大电路输出信号。

当PWM电机控制脉冲信号端在某一时刻为高电平时，二号三极管和三号三极管都导通，差分放大电路的两个信号输入都是总电源电压，差分放大电路的输出信号为零伏，一号三极管的基极为低电平，一号三极管截止，五号二极管也截止，电容把自己的电压信号输入给电机反电动势信号输出端。

由于PWM的周期很短可以认为电容的电压信号能够正确的反应出电机转速的关系，所有输出信号可以认为是连续的。

附图说明

图1是表示本发明的一种电路图。

VCC、总电源；GND、电源地；K1、直流有刷电机一端的电极输入或输出端；K2、直流有刷电机另一端的电极输入或输出端；K3、PWM电机控制脉冲信号端；K4、电机反电动势信号输出端；B、直流有刷电机；D1、一号二极管；D2、二号二极管；D3、三号二极管；D4、四号二极管；D5、五号二极管；A1、一号放大器；A2、二号放大器；A3、三号放大器；Q1、一号三极管；Q2、二号三极管；Q3、三号三极管；R1、一号电阻；R2二号电阻；R3、三号电阻；R4、四号电阻；R5、五号电阻；R6、六号电阻；RG、调压电阻；R7、七号电阻；R8、八号电阻；R9、九号电阻；ui1、二号放大器同向端输入信号；ui2、三号放大器同向端输入信号；u01二号放大器输出信号；u02、三号放大器输出信号；u0、一号放大器输出信号；

具体实施方式

如图1所示。

为了保证直流有刷电机的反电动势有稳定的参考电压，因此把三号二极管D3、四号二极管D4的正极分别连接在直流有刷电机B的两端，负极接电源地GND；由于直流有刷电机B可以在脉冲的控制下可以实现正反转，为了保证采集到正电压，因此需要外加一号二极管D1、二号二极管D2负极分别连接在直流有刷电机B的两端，正极连接在一起并连接三号放大器A3的正向输入端；为了消除脉冲在高电平时产生驱动电压覆盖反电动势的影响，因此采用差分放大电路，差分放大电路的组成有一号放大器A1、二号放大器A2、三号放大器A3、一号电阻R1、二号电阻R2、三号电阻R3、四号电阻R4、五号电阻R5、六号电阻R6、调压电阻RG；三号三极管Q3的集电极连接总电源VCC，三号三极管Q3的基极通过九号电阻R9连接PWM电机控制脉冲信号端，三号三极管Q3的发射极通过七号电阻R7连接电源地GND，三号三极管Q3的发射极还连接二号放大器A2的正向输入端。差分放大电路的连接五号二极管D5的负极和一号三极管Q1的发射极，五号二极管D5的正极和一号三极管Q3的集电极都连接在电容C的一极，电容C的另一极接电源地GND。一号三极管Q1的基极连接八号电阻R8的一端和二号三极管Q3的集电极，八号电阻R8的另一端连接总电源VCC，二号三极管Q2的基极通过九号电阻R9连接PWM电机控制脉冲信号端K3。五号二极管的正极D5、一号三极管Q3的集电极和电容C一极的节点连接电机反电动势信号输出端K4。

差分放大电路的两个信号来源一个来于三号放大器A3的正向输入端，另一个来于二号放大器A2的正向输入端，这个信号是来源于PWM电机控制脉冲信号端K3通过九号电阻R9作用到三号三极管Q3的基极，控制三号三极管Q3对总电源电流经过七号电阻R7到电源地GND回路的开闭，把七号电阻R7的电压信号传送到二号放大器A2的信号输入端。PWM电机控制脉冲信号端K3通过九号电阻R9作用到二号三极管Q2的基极，控制二号二极管D2的开闭，如果PWM电机控制脉冲信号端K3在某时刻是高电平那么一号三极管Q1的基极就是低电平，反之相反。

当PWM电机控制脉冲信号端K3在某一时刻是低电平时，二号三极管Q2和三号三极管Q3都截止，一号三极管Q1的基极为高电平所以一号三极管Q1导通，一号三极管Q1和五号二极管D5并联所以此时差分放大电路的信号输出端和电机反电动势信号输出端K4相连，并改变电容C的实际电压，选择的电容C在应能记录电压信号并且不能对电压信号产生干扰；此时的直流有刷电机B两极没有供电，反电动势通过一号二极管D1或二号二极管D2传到三号放大器A3的正向输入端，此时七号电阻R7的电压是零，所以二号放大器A2的正向输入端为零伏；二号放大器同向端输入信号ui1＝0，三号放大器同向端输入信号ui2＝电机反电动势，由4-1、4-2、4-3可得一号放大器输出信号u0，输出信号。

当PWM电机控制脉冲信号端K3在某一时刻为高电平时，二号三极管Q2和三号三极管Q3都导通，差分放大电路的两个信号输入都是总电源VCC电压，差分放大电路的输号信号为零伏，一号三极管Q1的基极为低电平，一号三极管Q1截止，五号二极管D5也截止，电容C把自己的电压信号输入给电机反电动势信号输出端K4。

Claims

1.一种直流有刷电机测速方法，即对于用PWM信号驱动的直流有刷电机，当PWM信号处于一个周期中切断电机电源的时间段时，采集电机的反电动势电压信号，此电压信号与电机转速信号成正相关且线性，反求直流有刷电机的转速；直流有刷电机反电动势电压信号测量电路包括二极管四个、放大器三个、三极管三个，电阻九个，调压电阻一个，电容一个，二极管分别为一号二极管、二号二极管、三号二极管、四号二极管，其特征在于，三号二极管、四号二极管的正极分别连接在直流有刷电机的两端，负极接电源地，并通过七号电阻连接到二号放大器的同相输入端，一号二极管、二号二极管负极分别连接在直流有刷电机的两端，正极连接在一起并连接三号放大器的正向输入端；一号放大器、二号放大器、三号放大器、一号电阻、二号电阻、三号电阻、四号电阻、五号电阻、六号电阻、调压电阻组成三运放差分放大电路，其二号放大器的同向端为三运放差分电路的反向端、三号放大器的同向端为三运放差分电路的同向端、一号放大器的输出端为三运放差分电路的输出端；三号三极管的集电极连接总电源，三号三极管的基极通过九号电阻连接PWM电机控制脉冲信号端，三号三极管的发射极连接到二号放大器的同向端，三号三极管的发射极还连接二号放大器的同向输入端，差分放大电路连接五号二极管的负极和一号三极管的发射极，五号二极管的正极和一号三极管的集电极都连接在电容的一极，电容的另一极接电源地，一号三极管的基极连接八号电阻的一端和二号三极管的集电极，八号电阻的另一端连接总电源，二号三极管的基极通过九号电阻连接PWM电机控制脉冲信号端，五号二极管的正极、一号三极管的集电极和电容一极的节点连接电机反电动势信号输出端。